CN106409374B

CN106409374B - 电场分离电离电荷式核电池

Info

Publication number: CN106409374B
Application number: CN201610311934.6A
Authority: CN
Inventors: 陆景彬; 许旭; 刘玉敏
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2018-09-21
Anticipated expiration: 2036-05-11
Also published as: CN106409374A

Abstract

本发明涉及一种电场分离电离电荷式核电池，包括：第一电极；第二电极；第一电极和第二电极之间的混合物，所述混合物包括第一放射源和可电离气体；导体，所述导体靠近第二电极并与第二电极分离；以及第二放射源，所述第二放射源靠近所述导体并与所述导体分离。

Description

电场分离电离电荷式核电池

技术领域

本发明属于核能利用技术领域，尤其涉及一种将同位素衰变能量转化为电能的电场分离电离电荷式核电池。

技术背景

放射性同位素电池本质上是将同位素衰变产生的射线能量转换为电能的装置。根据转化方法，放射性同位素电池包括：(1)将粒子动能转换为热能再将热能转化为电能的温差同位素电池；(2)直接收集带电粒子的直接充电核电池；(3)将粒子动能转化为电磁波再利用光电效应转化为电能的光伏核电池；(4)利用粒子动能将半导体PN结电离出电子空穴对产生电流的贝塔伏特效应核电池；以及(5)利用逸出功不同的两种金属形成电势差分离粒子电离气体形成的正负电荷的接触势差核电池。

温差同位素电池和光伏核电池的换能器比较复杂，能量的利用度不高。直接充电式核电池能量转换效率低，为得到更高的输出功率，必须使用更多的放射性同位素源。这既增加成本，又不利于电池小型化或微型化。贝塔伏特效应核电池直接由粒子动能转化为电流，换能器简单，能量利用率高，单位能量产生的电流大。而且，贝塔伏特效应核电池容易微型化，适合应用于在微机电系统中。但是，贝塔伏特效应核电池也有一些缺点。例如，放射性同位素对半导体换能器长期辐照容易造成半导体结构损伤，影响电池性能。另外，由于使用固体贝塔放射源，发射出的电子容易被阻挡。因此，放射源必须做成极薄的薄膜状。如果太厚大量电子将被自吸收不能出射，出射电子进入半导体后要经过一段距离才能到达PN结敏感区产生有效电离，半导体也必须极薄并经过特殊掺杂处理才能获得更多电子空穴对，这也使得贝塔伏特效应核电池不能做得很大，产生的总电流在微安级，应用范围较窄。接触势差核电池利用逸出功不同的两种金属形成的电势差很小，一般在1V左右，产生的总电流也同样很小。

因此，本领域需要一种新型的核电池，其可以根据应用需求改变大小，提供较大的电流。

发明内容

根据现有技术中的问题，提出一种核电池，包括：第一电极；第二电极；第一电极和第二电极之间的混合物，所述混合物包括第一放射源和可电离气体；导体，所述导体靠近第二电极并与第二电极分离；以及第二放射源，所述第二放射源靠近所述导体并与所述导体分离。

如上所述的核电池，其中，第一放射源为α源或β源；第二放射源为α源或β源。

如上所述的核电池，其中，第一放射源为粉末状²²⁶Ra形成的气态²²²Rn及其形成的放射系或者²³⁸PuF₆。

如上所述的核电池，其中，第二放射源为²⁴¹Am、²³⁸Pu或²⁴⁴Cm。

如上所述的核电池，其中，所述可电离气体为卤素气体、氢气或氦气。

如上所述的核电池，进一步包括反射层，第二放射源设置在所述反射层上；或者进一步包括屏蔽层，第二放射源设置在所述屏蔽层内；所述反射层或者屏蔽层具有朝向导体的开口。

如上所述的核电池，进一步包括绝缘密闭层。

如上所述的核电池，进一步包括射线屏蔽层。

根据本发明的另一个方面，提出一种产生电流的方法，包括：在电场中，利用第一放射源电离可电离气体，产生正离子和自由电子；其中，所述电场是导体通过收集来自第二放射源的带电粒子产生的；以及在第一电极上收集产生的自由电子，在第二电极上收集正离子，由此在第一电极和第二电极之间产生电流。

如上所述的方法，进一步包括：对第一电极和第二电极之间产生的电流进行整流和稳压。

附图说明

通过下面结合附图给出的详细说明和随附的权利要求，本公开的前述特征以及其它特征将变得更加清晰。应理解的是，这些附图仅描绘了依照本公开的多个实施例，因此，不应视为对本发明范围的限制，将通过利用附图结合附加的具体描述和细节对本公开进行说明，在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的核电池的截面示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的核电池的侧面示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的核电池俯视示意图；以及

图4是根据本发明的一个实施例的产生电流方法的示意图。

技术方案

现在，详细描述本发明的实施例，其示例在附图中表示，其中，相同的标号始终表示相同的部件。以下通过参考附图描述实施例以解释本发明。

在接下来的描述中，即使在相同的附图中，相同的附图标号用于相同的部件。在说明书中定义的内容，例如详细的构造和部件只是提供用于帮助全面理解本发明。因此，很明显，无需那些定义的内容来实现本发明。此外，由于已知功能或构造将在不必要的细节上模糊本发明，因此将不对其进行详细描述。

图1是根据本发明的一个实施例的核电池的截面示意图；图2是根据本发明的一个实施例的核电池的侧面示意图；以及图3是根据本发明的一个实施例的核电池俯视示意图。参考图1-图3，本发明的核电池100包括：第一电极101、第二电极102以及第一电极101和第二电极102之间的混合物103。其中，混合物103包括第一放射源和可电离气体。其中，可电离气体是能够发生气体电离的气体。所谓气体电离是气体受到电场、热能或射线的作用，使中性气体原子中的电子获得足够的能量，以克服原子核对它的引力而成为自自电子，同时中性的原子或分子由于失去了带负电荷的电子而变成带正电荷的正离子。这种使中性的气体分子或原子释放电子形成正离子的过程叫做气体电离。而这种中性的气体即为可电离气体。根据本发明的一个实施例，可电离气体的平均电离能小于300eV，优选小于200eV。根据本发明的一个实施例，可电离气体的实例包括但不限于高压卤素气体、高压氢气或高压氦气。

根据本发明的一个实施例，第一放射源为α源或β源，优选是α源。根据本发明的一个实施例，第一放射源的气态α源实例为粉末状²²⁶Ra形成的气态²²²Rn及其形成的放射性系,或²³⁸PuF₆。根据本发明的一个实例，第一放射源优选为粉末状²²⁶Ra形成的气态²²²Rn及其形成的放射系放射性系。第一放射源的另一个实例为分压强为139Pa以下的²³⁸PuF₆。可电离气体可以为分压强0.6MPa的卤素气体、氢气或氦气。根据本发明的一个实例，第一放射源与可电离气体的混合物103所在空间的宽度不小于20mm，以使得大部分带电粒子能量沉积在气体中而不是打在电极上。

根据本发明的一个实施例，核电池100进一步包括第二放射源104和导体105。第二放射源为α源或β源，优选是α源。第二放射源104通过衰变产生带电粒子。导体105收集第二放射源104产生的电荷并在混合物103上形成电场。第二放射源104的实例为弱α源(5)²⁴¹Am、²³⁸Pu或²⁴⁴Cm。优选地，第二放射源的放射强度低于10mCi。导体105的实例为金属板，例如镍板。本发明的核电池利用气体放射源与电离气体混合解决了自吸收问题。进一步地，利用第二放射源形成的静电场解决了大部分气体电离后并没有被分离而是重新复合的效率问题。

以α源为例，第二放射源104发射出带两个正电荷的α粒子达到导体105表面，导体105收集的α粒子达到一定量后形成的电场足够强使第二放射源发射出的α粒子不能到达导体105，此时场强稳定。进一步地，导体105在第二电极102的右侧感应出正电荷；相应地，在第二电极102的左侧产生相应大小的负电荷。第一电极101右侧感应出正电荷，左侧产生相应大小的负电荷。由此，在气态第一放射源与可电离气体的混合物103所在空间形成强电场。混合物103中的第一放射源将可电离气体电离，生成自由电子和正离子。在电场作用下，正电荷向第二电极102运动最终被第二电极102收集，而自由电子向第一电极101运动最终被第一电极101收集。通过两个引出电极109将电荷引出，外接负载形成电流。

根据本发明的一个实例，第二放射源可选为²⁴¹Am、²³⁸Pu或²⁴⁴Cm等。它们的半衰期在几十年到百年，单位原子数量单位时间衰变的α粒子数量也非常合适。第一电极、第二电极、导体以及引出电极优选为金属板，材质优选为金属镍，因为其抗卤素气体侵蚀能力较强。

根据本发明的一个实施例，核电池100包括带电粒子反射层106，例如α粒子反射层。α粒子反射层的实例为金属铍或石墨。第二放射源为α源，其被涂布在带电粒子反射层106上，出射例如α粒子。经过电介质107后被导体105收集。

根据本发明的另一个实施例，核电池100包括带电粒子屏蔽层106，例如自由电子吸收层。第二放射源为β源，且被设置在屏蔽层106之中。屏蔽层106具有通向导体105的开口。

根据本发明的一个实施例，使用α源单位质量产生的能量远远比β源高，因此能量密度较大，使用气态α源和电离气体混合，解决了放射源自吸收问题，对α粒子的利用率极高，强电场下气体电离能减小，单位能量的α粒子电离出的电子离子对大大增加。由此，本发明能够在提供较大电流的情况下保证开路电压足够高，相对产生的能量输出大大提高。

电介质107设置在第二放射源104和导体105之间，可以为真空、空气、或者其他稀疏电介质。电介质108设置在导体105与第二电极102之间，可以为真空、空气、或者其他稀疏电介质。

根据本发明的一个实施例，核电池100包括绝缘密闭层110和射线屏蔽层111。二者分别包裹核电池的其他部件。引出电极109延伸到绝缘密闭层110和射线屏蔽层111之外。绝缘密闭层110的实例为派勒克斯玻璃。射线屏蔽层111的实例为铅。

根据本发明的一个实施例，核电池100进一步包括整流稳压电路112。在导体的电荷收集完成后可以提供很高的电压，在强电场下易电离气体的电离能减小，在例如α粒子电离作用下可以引发电离雪崩效应，即被α粒子电离出的自由电子会继续与其它中性气体分子发生电离产生次级电子，次级电子继续电离下去像雪崩一样直到区域内气体全部电离。发生雪崩效应后，电子在电场作用下快速被第二电极102收集，正离子缓慢向第一电极101运动最终被收集。这时，外接负载会出现脉冲状电流，电压也会不稳。因此需要一套相应的整流稳压电路。

关于整流稳压电路，可以参考童诗白、华成英、清华大学电子学教研组著的《模拟电子技术基础(第4版)》(出版社：高等教育出版社，出版日期：2006-05-01，ISBN：9787040189223)的相关内容，特别是第十章直流电源中关于整流电路、滤波电路和稳压电路的描述。本领域技术人员应当理解，该文献中提及的具有类似功能的电路或者电路的组合都可以应用于本发明的方案中而实现整流和稳压的功能。

图4是根据本发明的一个实施例的产生电流方法的示意图。如图4所述，产生电流的方法400包括如下步骤：在步骤410，在电场中，利用第一放射源电离可电离气体，产生正离子和自由电子；其中，所述电场是导体通过收集来自第二放射源的带电粒子产生的。在步骤420，在第一电极上收集产生的自由电子，在第二电极上收集正离子，由此在第一电极和第二电极之间产生电流。进一步地，在步骤430，对第一电极和第二电极之间产生的电流进行整流和稳压。

根据本发明的一个实施例，第一放射源为α源或β源，优选是α源。例如优选为粉末状²²⁶Ra形成的气态²²²Rn及其形成的放射系放射性系。第一放射源的另一个实例为分压强为139Pa以下的²³⁸PuF₆。可电离气体可以为分压强0.6MPa的卤素气体、氢气或氦气。第二为α源或β源，优选是α源。例如，镅-241、钚-238、或锔-244。导体的实例为金属板。第一电极和第二电极的实例也为金属板。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims

1.一种核电池，包括：

第一电极；

第二电极；

第一电极和第二电极之间的混合物，所述混合物包括第一放射源和可电离气体；

导体，所述导体靠近第二电极并与第二电极分离；

第二放射源，所述第二放射源靠近所述导体并与所述导体分离；以及

其中第一放射源为α源或β源；第二放射源为α源或β源。

2.如权利要求1所述的核电池，其中，第一放射源为粉末状²²⁶Ra形成的气态²²²Rn及其形成的放射系或者²³⁸PuF₆。

3.如权利要求1所述的核电池，其中，第二放射源为²⁴¹Am、²³⁸Pu或者²⁴⁴Cm。

4.如权利要求1所述的核电池，其中，所述可电离气体为卤素气体、氢气或氦气。

5.如权利要求1所述的核电池，进一步包括反射层，第二放射源设置在所述反射层上；或者进一步包括屏蔽层，第二放射源设置在所述屏蔽层内；所述反射层或者屏蔽层具有朝向导体的开口。

6.如权利要求1所述的核电池，进一步包括绝缘密闭层。

7.如权利要求1所述的核电池，进一步包括射线屏蔽层。

8.一种在权利要求1-7任一所述的核电池中产生电流的方法，包括：

在电场中，利用第一放射源电离可电离气体，产生正离子和自由电子；其中，所述电场是导体通过收集来自第二放射源的带点粒子产生的；以及

在第一电极上收集产生的自由电子，在第二电极上收集正离子，由此在第一电极和第二电极之间产生电流。

9.如权利要求8所述的产生电流的方法，进一步包括：对第一电极和第二电极之间产生的电流进行整流和稳压。